KR100297109B1 - Flash memory device and method of manufacturing and erasing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플래쉬 메모리 소자, 그 제조 방법 및 소거 방법에 관한 것으로, 반도체 기판상의 선택된 영역에 액티브 영역과 필드 영역을 분리하기 위한 소자 분리막과, 상기 소자 분리막과 수직으로 교차되도록 형성된 워드라인과, 상기 워드라인을 마스크로 불순물 이온 주입 공정에 의해 형성된 소오스 및 드레인 영역과, 상기 워드라인 사이의 상기 드레인 영역 상부에 형성된 드레인 라인과, 상기 소자 분리막에 의해 분리된 액티브 영역상에 상기 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성된 소오스 라인을 포함하여 이루어진다.The present invention relates to a flash memory device, a manufacturing method and an erasing method thereof, an element isolation film for separating an active region and a field region in a selected region on a semiconductor substrate, a word line formed to vertically cross the element isolation layer, A source line and a drain region formed by an impurity ion implantation process using a word line as a mask, a drain line formed over the drain region between the word lines, and an active region separated by the device isolation layer, and perpendicular to the word line It comprises a source line formed to intersect.
본 발명에 의하면 소오스 라인이 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성되므로 하나의 셀을 선택하여 소거할 수 있는 비트 소거가 가능하고, 선택된 비트만 소거하므로써 과소거를 방지할 수 있으며, 리커버리를 과소거된 비트에 대해서만 실시할 수 있어 리커버리 효율을 향상시킬 수 있는 등 소자의 특성을 개선할 수 있다.According to the present invention, since the source line is formed to intersect the word line vertically, bit erasing that selects and erases one cell is possible, and over erasing can be prevented by erasing only the selected bit. Only the bit can be implemented, so that the characteristics of the device can be improved, for example, to improve recovery efficiency.
Description
본 발명은 플래쉬 메모리(flash memory)의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 워드라인과 소오스 라인을 수직으로 교차하도록 하므로써 기존 플래쉬 메모리의 모든 동작을 가능하게 하고, 비트 소거를 가능하게 하여 과소거 문제를 해결하여 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 플래쉬 메모리 소자, 그 제조 방법 및 소거 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a flash memory, and in particular, by allowing the word line and the source line to cross vertically, all operations of the existing flash memory are enabled, and bit erasing is possible to solve the problem of over erasing. The present invention relates to a flash memory device, a method of manufacturing the same, and an erasing method capable of improving device characteristics.
종래의 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법을 도 1의 레이아웃을 이용하여 설명하면 다음과 같다.A conventional method of manufacturing a flash memory device will be described with reference to the layout of FIG. 1.
반도체 기판상의 선택된 영역에 소자 분리 마스크를 이용한 산화 공정으로 필드 산화막(1)을 형성한다. 필드 산화막(1)을 포함한 반도체 기판 상부에 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘막(2)을 순차적으로 형성한다. 제 1 폴리실리콘 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 제 1 폴리실리콘막(2) 및 터널 산화막을 식각하여 필드 산화막(1)의 소정 영역을 노출시킨다. 제 1 폴리실리콘 마스크는 소자 분리 마스크에 의해 형성된 필드 산화막(1)의 소정 영역을 노출시키도록 형성한 다. 전체 구조 상부에 유전체막, 제 2 폴리실리콘막을 순차적으로 형성한 후 워드라인 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 자기정렬 식각 공정으로 제 2 폴리실리콘막, 유전체막, 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막을 순차적으로 식각하고 필드 산화막의 소정 영역을 식각하여 플로팅 게이트 및 콘트롤 게이트가 적층된 스택 게이트 구조, 즉 워드라인(3)을 형성한다. 워드라인 마스크는 제 1 폴리실리콘 마스크에 의해 노출된 필드 산화막 상부를 따라 소자 분리 마스크와 수직으로 교차하도록 형성하기 때문에 워드라인도 이러한 형상으로 형성된다. 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 소오스 라인(4) 및 드레인 영역을 형성한다. 소오스 라인(4)은 워드라인과 수평이 되도록 형성한다. 전체 구조 상부에 층간 절연막을 형성한 후 메탈 콘택 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 층간 절연막의 소정 영역을 제거하여 소오스 라인의 일부 및 드레인 영역을 노출시키는 콘택 홀(5)을 형성한 다. 콘택 홀(5)이 매립되도록 전체 구조 상부에 금속층을 형성한 후 비트라인 마스크를 이용한 패터닝 공정으로 비트라인(6)을 형성한다.The field oxide film 1 is formed in an oxidation process using an element isolation mask in a selected region on the semiconductor substrate. The tunnel oxide film and the first polysilicon film 2 are sequentially formed on the semiconductor substrate including the field oxide film 1. The first polysilicon film 2 and the tunnel oxide film are etched by a lithography process and an etching process using the first polysilicon mask to expose a predetermined region of the field oxide film 1. The first polysilicon mask is formed to expose a predetermined region of the field oxide film 1 formed by the device isolation mask. After the dielectric film and the second polysilicon film are formed on the entire structure, the second polysilicon film, the dielectric film, the first polysilicon film, and the tunnel oxide film are sequentially formed by a lithography process and a self-aligned etching process using a word line mask. Etching and etching a predetermined region of the field oxide layer form a stacked gate structure, that is, word line 3, in which floating gates and control gates are stacked. The word line mask is formed in such a shape because the word line mask is formed to vertically cross the device isolation mask along the top of the field oxide film exposed by the first polysilicon mask. An impurity ion implantation process is performed to form the source line 4 and the drain region. The source line 4 is formed to be parallel to the word line. After forming an interlayer insulating film on the entire structure, a predetermined region of the interlayer insulating film is removed by a lithography process and an etching process using a metal contact mask to form a contact hole 5 exposing a portion of the source line and a drain region. The metal layer is formed on the entire structure to fill the contact hole 5, and then the bit line 6 is formed by a patterning process using a bit line mask.
상기와 같은 레이아웃으로 제조되는 종래의 플래쉬 메모리 소자는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.Conventional flash memory devices manufactured in the above layout have the following problems.
첫째, 플래쉬 메모리 소자는 플로팅 게이트에 저장된 전하를 소오스로 빼내어 소거를 실시하기 때문에 워드라인과 소오스 라인이 평행하게 형성된 상기와 같은 구조에서는 섹터 단위로 소거를 실시한다. 따라서 하나의 셀 단위를 소거할 수 있는 비트 소거가 불가능하다.First, since the flash memory device erases the charge stored in the floating gate with a source, the erase is performed sector by sector in the above structure in which the word line and the source line are formed in parallel. Therefore, bit erasing that can erase one cell unit is impossible.
둘째, 상기와 같이 섹터 단위로 소거하기 때문에 셀마다 소거 속도에 차이가 난다. 따라서, 이미 소거된 셀이 다른 셀이 소거되는 동안 과소거되는 문제점이 발생한다.Second, since the erase is performed in units of sectors as described above, the erase speed is different for each cell. Thus, a problem arises in that a cell that has already been erased is erased while another cell is erased.
세째, 리커버리를 드레인 라인 단위로 실시하기 때문에 리커버리 효율이 떨어진다.Third, the recovery efficiency is lowered because the recovery is performed in units of drain lines.
네째, 드레인 및 소오스 라인의 일부에 콘택 홀이 존재하고, 이를 매립하도록 금속층이 형성되고, 이 금속층을 패터닝하여 비트라인이 형성되므로 집적도가 떨어진다.Fourth, contact holes exist in a part of the drain and the source line, and a metal layer is formed to fill the gap, and a bit line is formed by patterning the metal layer, thereby decreasing the integration degree.
다섯째, 소오스 라인이 불순물의 확산에 의해 형성되므로 저항에 의한 소자의 동작 속도가 저하된다.Fifth, since the source line is formed by diffusion of impurities, the operation speed of the device due to the resistance is lowered.
따라서, 본 발명은 섹터 소거 및 비트 소거를 가능하게 하고, 소자의 동작 속도가 저하되지 않아 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 플래쉬 메모리 소자, 그 제조 방법 및 소거 방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a flash memory device, a manufacturing method thereof, and an erasing method capable of enabling sector erasing and bit erasing, and improving the reliability of the device since the operation speed of the device is not deteriorated.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판상의 선택된 영역에 액티브 영역과 필드 영역을 분리하기 위한 소자 분리막과, 상기 소자 분리막과 수직으로 교차되도록 형성된 워드라인과, 상기 워드라인을 마스크로 불순물 이온 주입 공정에 의해 형성된 소오스 및 드레인 영역과, 상기 워드라인 사이의 상기 드레인 영역 상부에 형성된 드레인 라인과, 상기 소자 분리막에 의해 분리된 액티브 영역상에 상기 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성된 소오스 라인을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.A flash memory device according to the present invention for achieving the above object is a semiconductor substrate, a device isolation film for separating an active region and a field region in a selected region on the semiconductor substrate, and a word line formed to cross perpendicular to the device isolation film And a source and drain region formed by an impurity ion implantation process using the word line as a mask, a drain line formed over the drain region between the word lines, and the word line on an active region separated by the device isolation layer. And a source line formed to intersect with each other vertically.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판상의 선택된 영역에 소자 분리막을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 터널 산화막 및 제 1 폴리실리콘막을 순차적으로 형성한 후 상기 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막의 선택된 영역을 식각하여 상기 소자 분리막의 소정 영역을 노출시키는 단계와, 전체 구조 상부에 유전체막, 제 2 폴리실리콘막을 순차적으로 형성한 후 상기 제 2 폴리실리콘막, 유전체막, 제 1 폴리실리콘막 및 터널 산화막을 순차적으로 식각하여 상기 소자 분리막과 수직으로 교차되는 워드라인을 형성하는 단계와, 상기 워드라인을 마스크로 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 상기 반도체 기판상에 소오스 및 드레인 영역을 형성하는 단계와, 상기 드레인 영역 상부에 도전층을 형성한 후 패터닝하여 워드라인과 평행하게 드레인 라인을 형성하는 단계와, 전체 구조 상부에 층간 절연막을 형성한 후 소오스 영역을 노출시키는 콘택 홀을 형성하는 단계와, 상기 콘택 홀이 매립되도록 전체 구조 상부에 금속층을 증착한 후 상기 워드라인과 수직으로 교차되도록 패터닝하여 소오스 라인을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, a method of manufacturing a flash memory device according to the present invention for achieving the above object is formed by forming a device isolation film in a selected region on a semiconductor substrate, and sequentially forming a tunnel oxide film and a first polysilicon film on the entire structure Etching the selected regions of the first polysilicon film and the tunnel oxide film to expose a predetermined region of the device isolation layer, and sequentially forming a dielectric film and a second polysilicon film on the entire structure, and then the second polysilicon. Sequentially etching the film, the dielectric film, the first polysilicon film, and the tunnel oxide film to form a word line crossing the device isolation layer, and performing an impurity ion implantation process using the word line as a mask. Forming a source and drain region thereon, and forming a conductive layer over the drain region Forming a drain line in parallel with the word line by forming a drain line, forming a contact layer exposing the source region after forming an interlayer insulating film on the entire structure, and filling the contact hole on the entire structure so as to fill the contact hole. And depositing a metal layer and patterning the metal layer so as to vertically cross the word line to form a source line.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 소거 방법은 소오스 라인을 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성된 플래쉬 메모리 소자의 모든 소오스 라인에 5V의 전압을 인가하고, 모든 워드라인에 -9V의 전압을 인가하여 섹터 단위로 소거를 실시하고, 하나의 셀을 선택하는 소오스 라인과 워드라인에 각각 5V 및 -9V의 전압을 인가하여 비트 소거를 실시하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the flash memory device erase method according to the present invention for achieving the above object applies a voltage of 5V to all the source lines of the flash memory device formed so as to cross the source line perpendicular to the word line, and to all word lines Erasing is performed in units of sectors by applying a voltage of −9 V, and bit erasing by applying voltages of 5 V and −9 V to a source line and a word line selecting one cell, respectively.
도 1은 종래의 플래쉬 메모리 소자의 레이아웃.1 is a layout of a conventional flash memory device.
도 2는 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 레이아웃.2 is a layout of a flash memory device according to the present invention.
도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2;
도 4는 도 2의 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.4 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 2.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
1, 10 및 102 : 필드 산화막 2, 20 및 104 : 제 1 폴리실리콘막1, 10 and 102: field oxide film 2, 20 and 104: first polysilicon film
3 및 30 : 워드라인 4 및 60 : 소오스 라인3 and 30: wordline 4 and 60: source line
5 및 50 : 콘택 홀 6 : 비트라인5 and 50: contact hole 6: bit line
40 : 드레인 라인 101 : 반도체 기판40: drain line 101: semiconductor substrate
103 : 터널 산화막 105 : 유전체막103 tunnel oxide film 105 dielectric film
106 : 제 2 폴리실리콘막 107 : 소오스 영역106: second polysilicon film 107: source region
108 : 드레인 영역 109 : 도전층108: drain region 109: conductive layer
110 : 층간 절연막 111 : 금속층110: interlayer insulating film 111: metal layer
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자의 레이아웃이고, 도 3은 도 2의 A-A' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도이며, 도 4는 도 2의 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도로서, 이들을 참조하여 본 발명에 따른 플래쉬 메모리 소자를 제조 방법순으로 설명하기로 한다.2 is a layout of a flash memory device according to the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 2. With reference to these, the flash memory device according to the present invention will be described in the order of manufacturing method.
반도체 기판(101)상의 선택된 영역에 소자 분리 마스크를 이용한 산화 공정으로 필드 산화막(10, 102)을 형성한다. 소자 분리 마스크는 이에 의한 산화 공정에 의해 형성되는 필드 산화막(10, 102)이 반도체 기판(101)의 소정 영역을 노출시킬 수 있도록 소정 간격의 패턴으로 형성한다. 전체 구조 상부에 터널 산화막(103) 및 제 1 폴리실리콘막(20, 104)을 순차적으로 형성한 후 제 1 폴리실리콘 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 제 1 폴리실리콘막(20, 104) 및 터널 산화막 (103)의 소정 영역을 식각하여 필드 산화막(10, 102)의 소정 영역을 노출시킨다. 제 1 폴리실리콘 마스크는 전체 구조를 덮고 필드 산화막(10, 102)의 소정 영역만 노출시키도록 형성한다. 전체 구조 상부에 유전체막(105), 제 2 폴리실리콘막 (106)을 순차적으로 형성한다. 이때, 제 2 폴리실리콘막(106) 상부에 텅스텐 실리사이드막 및 반사 방지막을 더 형성할 수 있다. 소자 분리 마스크와 수직으로 교차되도록 형성된 워드라인 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 자기정렬 식각 공정을 실시하여 제 2 폴리실리콘막(106), 유전체막(105), 제 1 폴리실리콘막(104) 및 터널 산화막(103)을 순차적으로 식각하여 워드라인(30)으로 작용하는 플로팅 게이트와 콘트롤 게이트가 적층된 스택 게이트 구조를 형성한다. 불순물 이온 주입 공정을 실시하여 노출된 반도체 기판(101)상에 소오스(107) 및 드레인(108) 영역을 형성한다. 드레인 영역(108) 상부에 폴리실리콘막 또는 금속층등의 도전층(109)을 형성한 후 패터닝하여 드레인 라인(40)을 형성한다. 드레인 라인(40)은 워드라인 (30)과 평행하게 형성된다. 전체 구조 상부에 층간 절연막(110)을 형성한 후 소오스 콘택 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 층간 절연막(110)의 선택된 영역을 식각하여 소오스 영역(107)을 노출시키는 콘택 홀(50)을 형성한다. 콘택 홀(50)이 매립되도록 전체 구조 상부에 금속층(111)을 형성한 후 소오스 라인 마스크를 이용한 리소그라피 공정 및 식각 공정으로 금속층을 패터닝하여 소오스 라인(60)을 형성한다.Field oxide films 10 and 102 are formed in an oxidation process using an element isolation mask in a selected region on the semiconductor substrate 101. The device isolation mask is formed in a pattern at predetermined intervals so that the field oxide films 10 and 102 formed by the oxidation process thereby expose a predetermined region of the semiconductor substrate 101. After the tunnel oxide film 103 and the first polysilicon films 20 and 104 are sequentially formed on the entire structure, the first polysilicon films 20 and 104 and the lithography process and the etching process using the first polysilicon mask are performed. The predetermined region of the tunnel oxide film 103 is etched to expose the predetermined regions of the field oxide films 10 and 102. The first polysilicon mask is formed to cover the entire structure and to expose only a predetermined region of the field oxide films 10 and 102. The dielectric film 105 and the second polysilicon film 106 are sequentially formed over the entire structure. In this case, a tungsten silicide film and an anti-reflection film may be further formed on the second polysilicon film 106. A second polysilicon film 106, a dielectric film 105, a first polysilicon film 104, and a tunnel oxide film are formed by performing a lithography process and a self-aligned etching process using a word line mask formed to perpendicularly intersect the device isolation mask. The 103 is sequentially etched to form a stacked gate structure in which a floating gate and a control gate, which serve as a word line 30, are stacked. An impurity ion implantation process is performed to form the source 107 and drain 108 regions on the exposed semiconductor substrate 101. A conductive layer 109 such as a polysilicon film or a metal layer is formed on the drain region 108 and then patterned to form a drain line 40. The drain line 40 is formed in parallel with the word line 30. After the interlayer insulating layer 110 is formed on the entire structure, the contact hole 50 exposing the source region 107 is formed by etching the selected region of the interlayer insulating layer 110 by a lithography process and an etching process using a source contact mask. do. After forming the metal layer 111 on the entire structure to fill the contact hole 50, the source layer 60 is formed by patterning the metal layer by a lithography process and an etching process using a source line mask.
상기한 바와 같은 레이아웃을 갖는 플래쉬 메모리 소자는 섹터 소거 뿐만 아니라 비트 소거도 가능해진다. 즉, 금속층으로 형성된 소오스 라인을 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성하므로써 하나의 셀만 선택적으로 소거할 수 있다. 뿐만 아니라 다른 소자의 동작은 기존의 플래쉬 메모리 소자의 동작과 동일하다. 이를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.The flash memory device having the layout as described above enables not only sector erasing but also bit erasing. That is, only one cell can be selectively erased by forming the source line formed of the metal layer to cross the word line vertically. In addition, the operation of other devices is the same as that of a conventional flash memory device. If this is explained in more detail as follows.
먼저, 섹터 단위의 소거는 기존의 플래쉬 메모리 소자의 소거 방법과 동일하게 소오스 라인 1 내지 소오스 라인 3에 5V의 전압을 인가하고, 워드라인 1 내지 워드라인 4에 -9V의 전압을 인가하여 실시한다.First, the sector-by-sector erasing is performed by applying a voltage of 5 V to the source lines 1 through 3 and a voltage of -9 V through the word lines 1 through 4 in the same manner as the erase method of the conventional flash memory device. .
한편, 본 발명에서 이룰 수 있는 비트 소거를 위해서, 예를 들어 소오스 라인 1과 워드라인 1이 교차되는 셀을 소거하기 위해서는 소오스 라인 1에 5V의 전압을 인가하고, 워드라인 1에 -9V의 전압을 인가하며, 나머지 소오스 라인 및 워드라인에 공통적으로 0V 또는 플로팅 상태를 유지하도록 하고, 모든 드레인 라인은 플로팅 상태를 유지하도록 한다.On the other hand, for bit erasure that can be achieved in the present invention, for example, in order to erase a cell where the source line 1 and the word line 1 cross each other, a voltage of 5 V is applied to the source line 1 and a voltage of -9 V to the word line 1. It is applied to maintain the 0V or floating state in common to the remaining source line and word line, and all drain lines to maintain the floating state.
또한, 리커버리, 프로그램 및 독출 방법은 기존의 방법과 동일하다. 단지, 리커버리는 워드라인중 임의의 워드라인과 드레인을 선택하여 워드라인 단위로 실시할 수 있다. 즉, 과소거된 셀의 소오스 라인과 워드라인을 선택하여 그 비트만을 선택적으로 리커버리 할 수 있다.In addition, recovery, program, and reading methods are the same as the existing methods. However, the recovery may be performed in units of word lines by selecting an arbitrary word line and a drain among the word lines. That is, the source line and the word line of the over erased cell may be selected to selectively recover only the bit.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 금속층으로 형성된 소오스 라인을 워드라인과 수직으로 교차되도록 형성하므로써 하나의 셀을 선택하여 소거할 수 있는 비트 소거가 가능하고, 선택된 비트만 소거하므로써 과소거를 방지할 수 있으며, 리커버리를 과소거된 비트에 대해서만 실시할 수 있어 리커버리 효율을 향상시킬 수 있는 등 소자의 특성을 개선할 수 있다.As described above, according to the present invention, since the source line formed of the metal layer is formed to intersect the word line vertically, bit erasing to select and erase one cell is possible, and over erasing can be prevented by erasing only selected bits. In addition, since the recovery can be performed only on the bits that are excessively erased, the characteristics of the device can be improved, for example, the recovery efficiency can be improved.
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